大阪大学研究生院基础工程研究科的山田晋也副教授、加藤昌稔博士生（从事本研究时）、滨屋宏平教授，以及研究生院工学研究科的市川修平助教和藤原康文教授等人组成的联合研究团队，成功地在氮化镓（GaN）上制备出了高性能的自旋电子材料（赫斯勒合金磁体），并开发出了由高性能磁体/GaN组成的低接触电阻电极结构的室温・高效率自旋注入技术。这种高性能自旋电子材料作为日本发自日本的技术而备受瞩目。相关研究成果已发表在《Advanced Electronic Materials》上。
图1. 为验证自旋注入现象而制作的测试用GaN横向自旋电子学元件(左)和室温自旋传导信号的示例(右)（供图：大阪大学）
GaN正在被广泛应用于光电子学和功率电子学等领域，同时，也有望应用于积极利用电子自旋自由度的自旋电子学领域。尤其作为自旋发光元件的半导体材料，GaN是一种颇具魅力的材料。
然而，至今为止的大多数研究，在从强磁体向GaN进行自旋注入时，通常都采用强磁体/绝缘体隧道屏障/GaN这样的具有绝缘体隧道屏障层的高电阻电极结构，但在推广应用时，还存在需要大电压驱动，直接影响元件性能的自旋注入效率不高等课题。
为了在GaN中实现低功耗且高效的自旋注入，研究团队使用了赫斯勒合金磁体作为自旋注入源材料与GaN的肖特基隧道进行直接接合。赫斯勒合金磁体是一种知名的高性能自旋电子学材料，已被用作高效自旋注入源材料，注入到砷化镓（GaAs）和锗（Ge）等半导体材料中。但是，赫斯勒合金磁体和GaN的晶体结构有很大的差异，表面原子排列也不一致，所以在GaN上制作高品质的赫斯勒合金磁体非常困难。
对此，研究团队成功地在赫斯勒合金磁体与GaN的接触界面插入了数原子厚度的钴（Co）（厚约0.4纳米），使得赫斯勒合金磁体在GaN上进行外延生长，并实现肖特基隧道直接接触。同时制作了一个使用该肖特基隧道直接接触的电极结构的测试元件，并成功地在室温下观察到自旋注入信号。
由于这种自旋注入电极结构没有在高性能磁体和GaN之间使用绝缘体隧道屏障层，因此实现了比传统方法低3个数量级的接触电阻值，实现了低功耗的自旋注入。此外，通过使用高性能的赫斯勒合金磁体作为自旋注入源，实现了传统方法3～4倍的自旋注入效率。
这次的研究成果实际验证了“低功耗且高效”的GaN自旋注入技术。未来有望实现在电池级别低电压下驱动的小型GaN系自旋激光器。
山田副教授表示：“此次的研究成果是与半导体领域等其他领域的研究者们合作的结果。我们在2018年开始合作研究，直到论文发表花了大约5年的时间，但能推动跨领域的融合研究，对我而言这是一项非常有意义的研究成果。在此再次感谢所有的相关人员，今后为了能够进一步发展此次的研究成果，还将继续进行研究”。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Advanced Electronic Materials
论文：Half-metallic Heusler alloy/GaN heterostructure for semiconductor spintronics devices
DOI：doi.org/10.1002/aelm.202300045
